Самый молодой доктор наук в Украине: «Я люблю науку, а наука любит меня»

Слушали ли вы когда-нибудь лекцию по квантовой физике под звуки скрипки? Я побывала на такой. Это было на научном лектории «Необычные разговоры о науке». Как человек, который со школы не дружил с физикой и официально имел ярлык «гуманитарий», я сомневалась в том, что смогу что-то понять о квантовой теории, да еще и из уст ученой, которая занимается фундаментальной наукой. Мои стереотипы начали разбиваться вдребезги уже с первых минут, когда на сцену вышла хрупкая девушка в вечернем платье со скрипкой в руках. Ее рассказ о таинственном и запутанном квантовом мире завораживала. Это была Кристина Гнатенко — самый молодой в нашей стране доктор наук и профессор. Свою докторскую диссертацию она защитила в 28 лет в 2020 году, на ее счету — 120 научных публикаций (статей, монографий, тезисов докладов).

Я слушала ее лекцию о загадочном квантовом мире, которая плавно перемешивалась с музыкой, и даже не заметила, как она пролетела. Подумала, что если бы в школе мне кто-то так рассказывал о физике, я бы ее точно полюбила. Как выяснилось, музыкальные инструменты пани Кристина хранит даже в своем рабочем кабинете на кафедре теоретической физики имени профессора Ивана Вакарчука Львовского национального университета имени Ивана Франко. Здесь есть не только скрипка, но и фортепиано и гитара. Девушка училась в консерватории, и музыка звучит даже на ее парах для студентов. А лекции и спецкурсы, которые преподает пани Кристина, сразу бросаются в глаза в расписании и на афишах: «О квантовой физике языком аллегории», «Природа музыки: от классической до квантовой».

Кроме работы в университете, пани Кристина ведет занятия в летней научной школе для детей, является вице-президентом Львовской областной Малой академии наук, главой секции по ядерной физике и астрономии экспертного совета МОН.

Несмотря на относительно небольшой стаж в науке, у нее уже есть несколько отличий и наград: премию L'Oréal—UNESCO «Для женщин в науке», победу в конкурсе Talents for Ukraine от KSE Foundation. Пани Кристина также является лауреатом государственных премий президента и Верховной Рады для молодых ученых.

И я не могла удержаться от соблазна расспросить ее о таинственном квантовом мире, музыке и физике, о том, где рождаются будущие научные светила.

ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ

Феномен летних школ, или Наука о данных для молодых ученых

— Пани Кристина, почему именно физика?

— Я училась в экономическом лицее и любила много предметов: экономику, правоведение. Но физико-математические науки привлекали меня больше всего, потому что с их помощью можно описать мир, который нас окружает. Особенно нравилась физика, ведь она дает свободу мысли, поиска. Я шла в университет, чтобы стать ученым. Мне важно, что я, как и любой ученый, чувствую себя частичкой мировой науки, человеком, который создает то, что принесет в будущем практические результаты для общества. Я люблю науку, а наука любит меня.

— Как вы увлеклись квантовой физикой?

— Это было на третьем и четвертом курсах университета, когда мы изучали квантовую механику. Это относительно новая теория, передний край науки, и здесь много неразведанного. Но у меня еще была музыка, которую я обожала. Поэтому одновременно училась и на оркестровом факультете Львовской национальной музыкальной академии имени Николая Лысенко, и на физическом факультете университета. Музыка для меня — это не только возможность отдохнуть от рутины, она вдохновляет и помогает в науке. Я даже свои научные статьи пишу под музыку.

— Физика и лирика — это же едва ли не противоположности: эмоции и ум, ноты и формулы. Для вас они похожи?

— С одной стороны, они лежат на разных полюсах, но с другой — очень похожи. В обеих есть и творчество, и конкретность. Да, в физике творчество тоже важно — надо искать новые идеи и нестандартные решения задач, и тем самым двигать передний край науки вперед.

Наука объясняет музыку, в частности физика описывает процесс образования звуков, игру на музыкальных инструментах.

И в физике, и в музыке важны настойчивость, кропотливая работа, выдержка (в музыке это так называемая сценическая выдержка, борьба со страхами, координация движений и действий). Музыкант — это не тот, кто лишь попадает в ноты, а тот, кто чувствует себя и мир. Подобно тому, как чувствует его ученый.

— Вы рассказываете о науке с помощью аллегорий. С чем бы вы сравнили квантовый мир?

— Квантовый мир настолько фантастический, необыкновенный, что нет одной аллегории, которая бы описала все, что есть в нем. Поэтому под каждое свойство квантового мира я ищу свою аллегорию.

Например, возьмем одно из базовых понятий квантовой физики — «квантовую запутанность». Суть ее в том, что квантовые частицы чувствуют друг друга, даже если между ними огромные расстояния. Состояния квантовых частиц скорелированы, мы не можем говорить о состоянии каждой частицы отдельно, а лишь о состоянии двух частиц одновременно. И когда меняется состояние одной частицы, то оно моментально меняется и для другой. Это явление я сравниваю со связью между двумя людьми, близкими настолько, что могут чувствовать друг друга даже на расстоянии. Например, лучшие друзья.

Одно из важных понятий квантовой физики — «суперпозиция квантовых состояний». Квантовые частицы могут находиться одновременно в разных состояниях. С чем это можно сравнить? Например, если бы я была квантовой частицей, то могла бы одновременно сидеть с вами на встрече, читать лекцию студентам, гулять по Львову и посещать родителей — это была бы суперпозиция моих разных состояний: «сижу с вами на встрече», «читаю лекцию студентам» и других. Супер — потому что невероятная, непривычная. Вместе с тем в таких состояниях я могу находиться в разных пропорциях: скажем, была больше с вами, а меньше — где-то на лекциях или наоборот.

— Вы сказали, что когда мы стараемся измерить что-то в квантовом мире, мы разрушаем состояние квантовой системы. Почему?

— Когда мы измеряем свойства квантовой системы, то вмешиваемся в квантовый мир, взаимодействуем с ним. Этим вмешательством мы меняем состояние квантовых частиц. Интересно, что точно предусмотреть результат квантового измерения невозможно. Можно лишь сказать о вероятности какого-то результата. Например, если бы мы измеряли высоту комнаты в нашем классическом мире, мы бы назвали цифру — скажем, два метра. А если бы мы провели серию одинаковых экспериментов с измерением этой же комнаты в квантовом мире, мы бы каждый раз получали разные величины — это могло бы быть и метр, и три, и пять. Особенности квантового измерения можно также хорошо описать с помощью коробки с разными конфетами. Когда мы достаем по одной конфете, не заглядывая в коробку, то не можем предвидеть, какую именно конфету будем держать в руках, не можем достоверно сказать о результате эксперимента. Можно говорить лишь о его вероятности, то есть с какой вероятностью мы вытянем конфету определенного типа.

ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ

Сохранится ли украинская наука?

— Мне это напоминает «Алису в Стране чудес». Рядом с нами есть незаметный микромир, который живет своей жизнью, и эту жизнь мы не можем измерить и объяснить известными нам законами физики. Это так же трудно постичь, как бесконечность Вселенной.

— Мы с вами тоже состоим из квантовых частиц. Любой макроскопический предмет вокруг нас, например, письменный стол, тоже состоит из таких частиц. Но почему же тогда у нас нет тех исключительных возможностей, которые есть в квантовом мире? Почему мы не можем быть в разных местах одновременно или быть в запутанном состоянии? Такое происходит из-за того, что квантовые частицы, из которых мы состоим, не изолированы от влияния окружающей среды, они постоянно взаимодействуют с миром.

— Какие направления исследований развиваются в квантовой физике?

— То, что больше всего беспокоит ученых сейчас и беспокоило уже много лет, — это создание теории квантовой гравитации. Эта теория должна соединить наши знания с классической теорией гравитации (тяготения) и квантовой механики. К сожалению, еще не написаны уравнения, которые бы удачно объединили эти две весьма успешные известные нам теории. Но ученые над этим активно работают. Когда человечество сделает это, мы получим новые фундаментальные знания о Вселенной.

Подсказку для поиска ответов могут дать высокоточные эксперименты. Точность экспериментов ограничена, поэтому сложно описать мир в планковских масштабах (речь идет о величинах, меньших, чем метр в десять в тридцать пятой степени раз). Для того чтобы разгадать его загадки, физики-экспериментаторы работают вместе с физиками-теоретиками. Теоретики ищут эффекты, обусловленные свойствами мира в малых масштабах, свойствами макроскопических тел. Результаты таких исследований — это подсказки в экспериментальных поисках.

Еще одно направление — программирование на квантовых компьютерах. Квантовые процессоры принципиально отличаются от обычных для нас гаджетов, поскольку используют для вычислений свойства квантового мира. Квантовые компьютеры позволяют обрабатывать много данных одновременно и чрезвычайно быстро. Чтобы осуществить квантовые вычисления, нужно изолировать систему от внешнего влияния, охладить до сверхнизких температур (речь идет о микрокельвинах). Поэтому квантовые компьютеры громоздки и похожие на большую люстру. Их создают крупные фирмы IBM, Intel, Rigetti. Украина не производит сейчас собственные квантовые компьютеры, потому что это стоит сотни миллионов долларов, к тому же эта технология требует значительных людских ресурсов. Но это не делает наших физиков-теоретиков неконкурентоспособными, ведь мы можем проводить вычисления на квантовых процессорах благодаря онлайн-доступу к ним, который нам дает, например, компания Rigetti Computing.

Решение задачи с помощью квантового программирования — процесс особый. Например, чтобы провести операции над числами, мы должны их сначала закодировать в свойствах системы квантовых бит, потом провести вычисление над кубитами. Получить информацию о результате вычислений мы можем, только вмешавшись в систему, проведя квантовое измерение, результат которого, напомню, имеет вероятностный характер.

Сейчас хорошо развиваются квантовые технологии, и я работаю именно в этой сфере. У нас на кафедре теоретической физики ЛНУ имени Ивана Франко решают задачи по квантовым вычислениям уже более двадцати лет. Здесь есть научный центр, где работают такие выдающиеся ученые как профессор Владимир Ткачук, до того работал Иван Вакарчук. Они создали здесь такую среду, которая вдохновляет на поиски, научную школу квантовой информации. Мы с коллегами еще студентами слышали их увлекательные рассказы о квантовой информации и квантовых вычислениях, квантовых компьютерах. И теперь уже сами можем учить студентов квантовому программированию.

Такие научные центры при университетах очень важны для того, чтобы растить новые поколения ученых. Чтобы погрузиться в новую отрасль науки, получить новые научные результаты, требуется время — подробно во всем разобраться, поставить актуальную задачу, решить ее. Если в научном центре исследования ведутся уже более двадцати лет, то это создает крепкий фундамент для интересных научных результатов, разработки самых современных учебных образовательных программ.

— Кроме квантового программирования, вы рассказываете студентам о квантовой криптографии, связанной с защитой личных данных.

— Квантовая криптография — это раздел криптографии, которая использует свойства квантового мира для защиты информации. Поскольку вмешательство в квантовый мир оставляет след, потому что меняет его состояние, мы можем легко определить, вмешивался ли кто-то в квантовую систему. Квантовая криптография заключается в генерировании секретного кода с использованием особенностей квантового мира (запутанности квантовых состояний, особенности квантового измерения).

— Что такое квантовая музыка?

— Квантовая музыка — это музыка, созданная с использованием квантового компьютера. Во время написания такой музыки присутствует творчество. Мы придумываем соответствие свойств квантового мира музыкальным звукам. Квантовую музыку создаем со студентами на парах. Очень интересен процесс написания квантового алгоритма, а затем перенесения его на звуки музыки. Теория написания музыки с помощью квантовых процессоров активно развивается. Наряду с изучением теории в Европе происходят концерты квантовой музыки.

Кристина Гнатенко

— Кроме науки, вы еще ведете занятия для школьников, заинтересованных в физике. Много желающих? Ведь если посмотреть на результаты вступительной кампании, видно, что не так много людей поступают на физику, это непрестижная специальность.

— Квантовое программирование — перспективное направление, связанное с современными технологиями, в частности и с ІТ. Такие направления охотно выбирают абитуриенты. Чтобы заинтересовать молодых людей фундаментальной наукой, в частности физикой, нужно приложить больше усилий. Одна из причин — неконкурентоспособные зарплаты ученых. Весомые научные наработки позволяют получать хорошие украинские и международные гранты, стипендии для исследований, но путь к передовым научным результатам весьма долгий и непростой.

У меня были приглашения от зарубежных коллег выехать из Украины, делать науку за границей. Я отказалась от многих очень хороших возможностей и когда была аспиранткой, и сейчас как профессор. Часто говорю студентам: спросите себя, чего вы хотите, греет ли вас чувство, что вы являетесь представителями Украины в научном сообществе, создаете науку с аффилиацией Украина? Если да, это может быть вашей опорой, вашим стрежнем, подобно тому, как у меня. Но кроме патриотизма, эмоций, любви к своему делу, нужны условия и ресурсы: дополнительные стипендии, гранты, лаборатории для развития, конкурентоспособности фундаментальных и прикладных исследований ученых в Украине.